一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，將步驟構(gòu)建的三維CAD模型導(dǎo)入到激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備的控制系統(tǒng)中，依據(jù)模型進(jìn)行樹脂模具的增材制造；將所制備的含有造孔劑的樹脂模具除去造孔劑，獲得具有流道系統(tǒng)的多孔結(jié)構(gòu)樹脂模具，以用于陶瓷注漿成形。利用樹脂材料和造孔劑的混合體系配方作為原材料，采用激光選區(qū)燒結(jié)工藝制造用于陶瓷注漿成形的具有可控流道體系的多孔樹脂模具，實(shí)現(xiàn)陶瓷注漿成形模具的快速開發(fā)和制造，降低陶瓷注漿模具的開發(fā)成本，提高陶瓷注漿成形模具的質(zhì)量。
【專利說明】一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于增材制造、陶瓷成形【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在我國(guó)衛(wèi)生陶瓷行業(yè)，石膏模具是注漿、滾壓、旋壓等陶瓷成形過程中不可缺少的輔助工藝部件，占中國(guó)陶瓷模具市場(chǎng)的90%以上。然而，石膏模具壽命短、反復(fù)使用率很低(90次左右)；制造工藝較為復(fù)雜，需要多次翻制；生產(chǎn)效率低下，限制了我國(guó)衛(wèi)生陶瓷行業(yè)的生產(chǎn)效率和制造水平。因此，采用高壓樹脂模具代替?zhèn)鹘y(tǒng)石膏模具已成為陶瓷注漿技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，高壓樹脂模具主要采用以樹脂為基礎(chǔ)的微孔結(jié)構(gòu)樹脂材料，具有強(qiáng)度高、韌性好、表面光潔、孔隙率可控、使用壽命長(zhǎng)、效率高以及成形質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，比如高壓注漿設(shè)備與高壓樹脂模具配合，可實(shí)現(xiàn)面盆12-15分鐘成形一次，抽水馬桶25分鐘成形一次。我國(guó)暫時(shí)還沒有成熟的高壓樹脂模具制造技術(shù)，所采用的高壓樹脂模具多是從國(guó)外進(jìn)口。同時(shí)，相比歐美簡(jiǎn)約風(fēng)格，我國(guó)消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品款式需求呈現(xiàn)多樣化，衛(wèi)生陶瓷企業(yè)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品款式的頻率較高。進(jìn)口模具材料制備困難、加工復(fù)雜、成本昂貴，制約了高壓注漿工藝在我國(guó)的發(fā)展，使得陶瓷產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)陷入困境。
[0003]陶瓷成形用多孔樹脂模具的研究在國(guó)外起步較早，始于上世紀(jì)60年代。80年代初，裝有多孔樹脂模具的高壓注漿機(jī)就已投入了使用。1982年，德國(guó)道爾斯特(DORST)公司與瑞士勞芬(LAUFEN)公司合作，首次研制出使用多孔樹脂模具的高壓注漿成形技術(shù)，用于衛(wèi)生陶瓷的注漿成形，其可承受壓力可達(dá)1.5?2.0MPa080年代末，前蘇聯(lián)的Liburkin V.G以聚氯乙烯為主要原料，加入環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂的共聚物和陶土制備了多孔樹脂模具，同時(shí)期，法國(guó)的Gaillard Jean Marie以環(huán)氧樹脂和無機(jī)填料制備類似的多孔樹脂模具。90年代初，日本新榮機(jī)工株式會(huì)社(NIKKO)，以聚氨酯為原料制備出了高壓多孔模具。目前，擁有多孔樹脂模具技術(shù)的國(guó)外企業(yè)還有:意大利薩克米公司(SACMI)和西蒂公司(SITI)，德國(guó)斯瑪特新材料技術(shù)有限公司，英國(guó)鮑威爾集團(tuán)公司(P0RVAIR)，日本伊奈公司(INAX)、SAGA、NGK等。該類高壓樹脂模具具有用于陶瓷漿料水分滲出及壓縮空氣通入脫模的復(fù)雜結(jié)構(gòu)流道，國(guó)外現(xiàn)有技術(shù)多采用數(shù)控加工方式進(jìn)行制造，只適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的衛(wèi)生陶瓷成形，不符合我國(guó)衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多樣化的需求特點(diǎn)。
[0004]在國(guó)內(nèi)，80年代末，高安軍、王義寬等人利用環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂等主要原料，制備了用于滾壓成形的模具。90年代末，湖南塑料研究所的李鐵軍等人以聚氯乙烯為原料，研制了多孔樹脂成形模具，以替代原有的石膏模具。2006年，山東輕工業(yè)學(xué)院的武光等人采用自制的乳化劑乳化環(huán)氧樹脂等材料，制備了用于高壓注漿的多孔樹脂模具。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于該技術(shù)的研究基本上還處在理論研究階段，未見有自主研發(fā)的商品化高壓注漿樹脂模具產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)多數(shù)相關(guān)產(chǎn)品均是從國(guó)外引進(jìn)，其價(jià)格昂貴，使得高壓注漿成形難以在我國(guó)廣泛推廣，從而影響到整個(gè)陶瓷行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
[0005]增材制造是近年來新興的先進(jìn)制造技術(shù)，通過逐層累加的方法進(jìn)行制造，改變了對(duì)原材料坯體進(jìn)行切削加工、組裝的模式，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝難以成形的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件快速制造，且可以滿足對(duì)產(chǎn)品的單件個(gè)性化需求。2000年，新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的K F Leong, K K S Phua等人使用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)以聚合物為基體制備了多微孔的藥物輸送裝置(DDDs)。2007年英國(guó)倫敦大學(xué)材料與化學(xué)中心V.Shishkovsky,L.T.Volova等人通過選擇性激光燒結(jié)技術(shù)用鈦與鎳鈦材料制作了多孔的生物植入物和組織支架。2010 年,George W.Woodruff 大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的 Shaun Eshragh1、Suman Das 等人采用選擇性激光技術(shù)，以聚已酸內(nèi)酯為原料燒結(jié)出了具有微觀多孔結(jié)構(gòu)的正交支架。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決的問題在于提供一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，采用激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行高壓注漿多孔樹脂模具的制造方法，制造用于陶瓷注漿成形的具有可控流道體系的多孔樹脂模具。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0008]一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，包括以下操作:
[0009]I)根據(jù)陶瓷制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的多孔樹脂模具，構(gòu)建其三維CAD模型，并在三維CAD模型中設(shè)計(jì)陶瓷注漿成形排水用流道系統(tǒng)；
[0010]2)根據(jù)陶瓷制品和陶瓷注漿的工藝要求，制定多孔樹脂模具的多孔性能指標(biāo)；
[0011]3)根據(jù)所制定的多孔性能指標(biāo)選擇樹脂與造孔劑，并確定樹脂和造孔劑的配比；
[0012]4)按配比將顆?；蚍勰畹臉渲?、造孔劑均勻混合，作為激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備原材料；
[0013]5)將步驟I)構(gòu)建的三維CAD模型導(dǎo)入到激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備的控制系統(tǒng)中，依據(jù)模型進(jìn)行樹脂模具的增材制造；
[0014]6)將所制備的含有造孔劑的樹脂模具除去造孔劑，獲得具有流道系統(tǒng)的多孔結(jié)構(gòu)樹脂模具，以用于陶瓷注漿成形。
[0015]使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行多孔樹脂模具模型的設(shè)計(jì)，以及陶瓷注漿過程中用于排水的流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
[0016]所述的流道系統(tǒng)分布于陶瓷制品成形面的下層，并根據(jù)陶瓷制品對(duì)壁厚的要求來匹配相應(yīng)流道分布的疏密，形成復(fù)雜流道，以控制陶瓷注漿成形過程失水的快慢。
[0017]所述的多孔樹脂模具的設(shè)計(jì)包括不含模芯的單面注漿模具，以及由模具和模芯組成的雙面注漿模具。
[0018]所述的多孔樹脂模具的多孔性能指標(biāo)依據(jù)陶瓷注漿用漿料的流動(dòng)性、懸浮性、滲透性以及陶瓷制品的結(jié)構(gòu)特征來制定。
[0019]所述的多孔性能指標(biāo)包括孔隙率和孔隙直徑的要求，其中孔隙率要求大于20%，孔隙直徑要求小于IOym;
[0020]所述的孔隙率為小=(%/\)父100%，其中Vp表示多孔樹脂模具內(nèi)的微小空隙的總體積，Vb表示多孔樹脂模具的總體積。
[0021]所述的樹脂為熱塑性樹脂顆?；蚍勰龅脑炜讋樗苄?、醇溶性或脂溶性的顆粒或粉末。
[0022]所述的樹脂為尼龍樹脂、ABS樹脂、PEEK樹脂中的一種或幾種。[0023]所述在進(jìn)行激光選區(qū)燒結(jié)時(shí)根據(jù)樹脂與造孔劑的熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、多孔樹脂模具的結(jié)構(gòu)來確定激光功率、掃描速度和預(yù)熱溫度。
[0024]所述在進(jìn)行激光選區(qū)燒結(jié)時(shí)，激光功率、掃描速度和預(yù)熱溫度還根據(jù)多孔樹脂模具的定制要求在不同部位進(jìn)行調(diào)整。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果和顯著的技術(shù)優(yōu)點(diǎn):
[0026]本發(fā)明提供的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，以樹脂、造孔劑混合體系配方為原材料，采用激光選區(qū)燒結(jié)工藝，可實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的陶瓷模具的快速精確成形，大大提高陶瓷注漿模具的開發(fā)效率并降低其開發(fā)成本，還可以實(shí)現(xiàn)陶瓷注漿模具復(fù)雜排水流道的加工制造，所形成的復(fù)雜流道系統(tǒng)，能夠根據(jù)陶瓷制品的幾何形狀確定流道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以保持陶瓷注漿成形過程中失水的均勻性，實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷注漿成形零件表面平整度和壁厚均勻性等性能的優(yōu)化；在保證壁厚均勻性的基礎(chǔ)上，還可以通過流道系統(tǒng)的改變獲取符合陶瓷制品對(duì)不同部位不同壁厚的要求。從而保證了陶瓷模具的定制化要求，提高陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為陶瓷沖水馬桶零件注漿成型模具復(fù)雜可控流道系統(tǒng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明提供的一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具的增材制造方法，基于激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)，利用樹脂和造孔劑混合體系配方作為激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)的材料，進(jìn)行陶瓷注漿多孔樹脂模具的快速開發(fā)和制造。該工藝可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜陶瓷注漿模具及其排水流道系統(tǒng)的快速開發(fā)和制造，大大提高陶瓷注漿模具的開發(fā)效率并降低其開發(fā)成本。
[0029]所提供的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具的增材制造方法，包括以下操作:
[0030]I)根據(jù)陶瓷制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的多孔樹脂模具，構(gòu)建其三維CAD模型，并在三維CAD模型中設(shè)計(jì)陶瓷注漿成形排水用流道系統(tǒng)；
[0031]2)根據(jù)陶瓷制品和陶瓷注漿的工藝要求，制定多孔樹脂模具的多孔性能指標(biāo)；
[0032]3)根據(jù)所制定的多孔性能指標(biāo)選擇樹脂與造孔劑，并確定樹脂和造孔劑的配比；
[0033]4)按配比將顆?；蚍勰畹臉渲⒃炜讋┚鶆蚧旌?，作為激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備原材料；
[0034]5)將步驟I)構(gòu)建的三維CAD模型導(dǎo)入到激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備的控制系統(tǒng)中，依據(jù)模型進(jìn)行樹脂模具的增材制造；
[0035]6)將所制備的含有造孔劑的樹脂模具除去造孔劑，獲得具有流道系統(tǒng)的多孔結(jié)構(gòu)樹脂模具，以用于陶瓷注漿成形。
[0036]進(jìn)一步的，所述的流道系統(tǒng)分布于陶瓷制品成形面的下層，并根據(jù)陶瓷制品對(duì)壁厚的要求來匹配相應(yīng)流道分布的疏密，形成復(fù)雜流道，以控制陶瓷注漿成形過程失水的快慢。
[0037]所述的多孔樹脂模具的設(shè)計(jì)包括不含模芯的單面注漿模具，以及由模具和模芯組成的雙面注漿模具。
[0038]所述的多孔樹脂模具的多孔性能指標(biāo)依據(jù)陶瓷注漿用漿料的流動(dòng)性、懸浮性、滲透性以及陶瓷制品的結(jié)構(gòu)特征來制定。
[0039]所述的多孔性能指標(biāo)包括孔隙率和孔隙直徑的要求，其中孔隙率要求大于20%，孔隙直徑要求小于IOym;
[0040]所述的孔隙率為Φ = (VP/VB) X 100%，其中Vp表示多孔樹脂模具內(nèi)的微小空隙的總體積，Vb表示多孔樹脂模具的總體積。
[0041]所述的樹脂為熱塑性樹脂顆粒或粉末，所述的造孔劑為水溶性、醇溶性或脂溶性的顆?；蚍勰?。具體的所述的樹脂為尼龍樹脂、ABS樹脂、PEEK樹脂中的一種或幾種。
[0042]在進(jìn)行激光選區(qū)燒結(jié)時(shí)根據(jù)樹脂與造孔劑的熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、多孔樹脂模具的結(jié)構(gòu)來確定激光功率、掃描速度和預(yù)熱溫度。進(jìn)一步，在進(jìn)行激光選區(qū)燒結(jié)時(shí)，激光功率、掃描速度和預(yù)熱溫度還根據(jù)多孔樹脂模具的定制要求在不同部位進(jìn)行調(diào)整。
[0043]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0044]實(shí)施例1
[0045]采用樹脂、造孔劑混合體系配方的激光選區(qū)燒結(jié)快速成形技術(shù)制備沖水馬桶的多孔樹脂模具，包括以下步驟:
[0046]I)根據(jù)沖水馬桶的尺寸、結(jié)構(gòu)和性能要求，設(shè)計(jì)其樹脂模具(包含注漿工藝中排水用的流道系統(tǒng))，然后利用Pro/E軟件構(gòu)建三維CAD模型(參照?qǐng)D1)并存儲(chǔ)為STL格式；
[0047]2)根據(jù)該產(chǎn)品所指定的陶瓷注漿工藝的要求，陶瓷漿料的流動(dòng)性速度為(170±50s)/100mL，含水量為30%_35%，密度為1.65-1.9g/cm。據(jù)此，確定多孔樹脂模具的性能指標(biāo)為:微孔尺寸2.0?3.5 μ m，孔隙率25?30% ；
[0048]3)根據(jù)確定的多孔樹脂模具的性能指標(biāo)，使用尼龍材料作為樹脂材料，使用PVP粉末作為水溶性造孔劑，并確定二者質(zhì)量配比為1:0.36 ;
[0049]4)將所選樹脂材料和造孔劑按比例混合均勻作為原材料裝入激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備的鋪粉裝置中；
[0050]5)將存儲(chǔ)的STL格式的模具三維CAD模型導(dǎo)入到激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備中，通過設(shè)備軟件設(shè)定激光功率為200W，掃描速度500mm/s，預(yù)熱溫度50°C，由設(shè)備軟件自動(dòng)生成加工控制代碼進(jìn)行模具的增材制造，得到?jīng)_水馬桶的陶瓷注漿模具“綠件”。
[0051]6)將得到的模具“綠件”，采取浸水的方式進(jìn)行處理，去除模具中的造孔劑，獲得用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具。
【權(quán)利要求】
1.一種用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，包括以下操作: 1)根據(jù)陶瓷制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的多孔樹脂模具，構(gòu)建其三維CAD模型，并在三維CAD模型中設(shè)計(jì)陶瓷注漿成形排水用流道系統(tǒng)； 2)根據(jù)陶瓷制品和陶瓷注漿的工藝要求，制定多孔樹脂模具的多孔性能指標(biāo)； 3)根據(jù)所制定的多孔性能指標(biāo)選擇樹脂與造孔劑，并確定樹脂和造孔劑的配比； 4)按配比將顆?；蚍勰畹臉渲⒃炜讋┚鶆蚧旌?，作為激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備原材料； 5)將步驟I)構(gòu)建的三維CAD模型導(dǎo)入到激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備的控制系統(tǒng)中，依據(jù)模型進(jìn)行樹脂模具的增材制造； 6)將所制備的含有造孔劑的樹脂模具除去造孔劑，獲得具有流道系統(tǒng)的多孔結(jié)構(gòu)樹脂模具，以用于陶瓷注漿成形。
2.如權(quán)利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行多孔樹脂模具模型的設(shè)計(jì)，以及陶瓷注漿過程中用于排水的流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
3.如權(quán)利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的流道系統(tǒng)分布于陶瓷制品成形面的下層，并根據(jù)陶瓷制品對(duì)壁厚的要求來匹配相應(yīng)流道分布的疏密，形成復(fù)雜流道，以控制陶瓷注漿成形過程失水的快慢。
4.如權(quán)利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的多孔樹脂模具的設(shè)計(jì)包括不含模芯的單面注漿模具，以及由模具和模芯組成的雙面注漿模具。
5.如權(quán)利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的多孔樹脂模具的多孔性能指標(biāo)依據(jù)陶瓷注漿用漿料的流動(dòng)性、懸浮性、滲透性以及陶瓷制品的結(jié)構(gòu)特征來制定。
6.如權(quán)利要求5所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的多孔性能指標(biāo)包括孔隙率和孔隙直徑的要求，其中孔隙率要求大于20%，孔隙直徑要求小于10μL? ; 所述的孔隙率為小=(/\)\100%，其中VP表示多孔樹脂模具內(nèi)的微小空隙的總體積，Vb表示多孔樹脂模具的總體積。
7.如權(quán)利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的樹脂為熱塑性樹脂顆?；蚍勰龅脑炜讋樗苄?、醇溶性或脂溶性的顆?；蚍勰?。
8.如權(quán)利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，所述的樹脂為尼龍樹脂、ABS樹脂、PEEK樹脂中的一種或幾種。
9.如權(quán)利要求1所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，在進(jìn)行激光選區(qū)燒結(jié)時(shí)根據(jù)樹脂與造孔劑的熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、多孔樹脂模具的結(jié)構(gòu)來確定激光功率、掃描速度和預(yù)熱溫度。
10.如權(quán)利要求1或9所述的用于陶瓷注漿成形的多孔樹脂模具增材制造方法，其特征在于，在進(jìn)行激光選區(qū)燒結(jié)時(shí)，激光功率、掃描速度和預(yù)熱溫度還根據(jù)多孔樹脂模具的定制要求在不同部位進(jìn)行調(diào)整。
【文檔編號(hào)】B28B7/46GK103895224SQ201410083600
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】田小永, 周暢, 李滌塵, 曹毅 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)